单回路控制系统(改)ppt课件

1、 单回路控制系统单回路控制系统本章主要内容7.1 单回路控制系统的组成及运用范围单回路控制系统的组成及运用范围7.2 单回路控制系统方案设计单回路控制系统方案设计7.3 控制器的参数整定方法控制器的参数整定方法 7.1 单回路控制系统的组成及运用范围单回路控制系统的组成及运用范围单回路控制系统的组成单回路控制系统的组成单回路控制系统的运用范围单回路控制系统的运用范围7.1.1 7.1.1 单回路控制系统的组成单回路控制系统的组成图图7.1 液位调理系统液位调理系统由一个丈量元件、变送器、一个控制器、一个执由一个丈量元件、变送器、一个控制器、一个执行器、一个被控对象所构成的单闭环控制系统，行器、

2、一个被控对象所构成的单闭环控制系统，它是消费过程中运用广泛的根本控制系统。它是消费过程中运用广泛的根本控制系统。典型单回路控制系统图解典型单回路控制系统图解v有原料不断流入或流出储槽中；有原料不断流入或流出储槽中；v流入量流入量( (或流出量或流出量) )的变化会引起槽内液位的动摇，的变化会引起槽内液位的动摇，严重时会出现溢出或抽干；于是，槽内液位就成严重时会出现溢出或抽干；于是，槽内液位就成为被控量，整个贮槽为被控对象；为被控量，整个贮槽为被控对象；v液位经检测和变送后，送到液位控制器与工艺要液位经检测和变送后，送到液位控制器与工艺要求的液位高度即设定值进展比较，按预定的运算求的液位高度即设

3、定值进展比较，按预定的运算规律算出结果；规律算出结果；v控制器输出调理信号至执行器，执行器按此信号控制器输出调理信号至执行器，执行器按此信号自动地开大或关小阀门，以坚持槽内液位在设定自动地开大或关小阀门，以坚持槽内液位在设定要求上。要求上。图图7.2 单回路系统方框图单回路系统方框图7.1.2 7.1.2 单回路控制系统的运用范围单回路控制系统的运用范围1 1工艺对被控量的控制质量要求不高；工艺对被控量的控制质量要求不高；2 2过程中的负荷及其它干扰变化比较平缓；过程中的负荷及其它干扰变化比较平缓；3 3被控过程的纯滞后及容量滞后不十清楚显；被控过程的纯滞后及容量滞后不十清楚显； 在上述情况下

4、，综合思索系统本钱要素，那在上述情况下，综合思索系统本钱要素，那么适宜于选择单回路控制系统实现控制目的。么适宜于选择单回路控制系统实现控制目的。1 1、平安性、平安性2 2、稳定性、稳定性3 3、经济性、经济性1 1、建立被控过程的数学模型、建立被控过程的数学模型2 2、选择控制方案、选择控制方案3 3、选择控制设备型号规格、选择控制设备型号规格4 4、实验与仿真、实验与仿真二、二、过程控制系统设计的要求过程控制系统设计的要求过程控制系统的设计步骤过程控制系统的设计步骤 包括仪表微机选型、控制室和仪表盘包括仪表微机选型、控制室和仪表盘设计、供水供电供气设计、信号系统设计、设计、供水供电供气设计

5、、信号系统设计、平安防暴设计等。平安防暴设计等。3 3、工程安装、仪表调试、工程安装、仪表调试 4 4、控制器的参数整定、控制器的参数整定2 2、控制系统的工程设计、控制系统的工程设计 1 1、自动控制系统的方案设计、自动控制系统的方案设计v控制系统的工程思索控制系统的工程思索被控量的选择被控量的选择支配量的选择支配量的选择执行器的选择执行器的选择控制器的选择控制器的选择7.2 单回路控制系统方案设计单回路控制系统方案设计7.2.1 被控量的选择被控量的选择1、选择被控量重要性和根本要求、选择被控量重要性和根本要求2、选择被控变量的根本原那么、选择被控变量的根本原那么3、举例、举例1、选择被控

6、量重要性和根本要求、选择被控量重要性和根本要求对产量、质量及平安都具有重要意义；对产量、质量及平安都具有重要意义；能很好地反映工艺消费形状的变化；能很好地反映工艺消费形状的变化；能测能控，且对控制造用的反响具有足够能测能控，且对控制造用的反响具有足够的灵敏度；的灵敏度；满足消费实践要求。满足消费实践要求。2、选择被控变量的根本原那么、选择被控变量的根本原那么v直接将工艺确定的需求控制的过程变量选为被控直接将工艺确定的需求控制的过程变量选为被控量。量。v假设表示质量目的的参数有多个，可选符合工艺假设表示质量目的的参数有多个，可选符合工艺要求、独立可控的参数作为被控量。要求、独立可控的参数作为被控

7、量。v假设工艺确定的被控量无法直接丈量或信号微弱假设工艺确定的被控量无法直接丈量或信号微弱或丈量滞后太大，可选择与直接参数有单值对应或丈量滞后太大，可选择与直接参数有单值对应关系的、且有足够丈量信号的间接参数作为被控关系的、且有足够丈量信号的间接参数作为被控量。量。3、举例被控量选择、举例被控量选择v在控制锅炉蒸汽质量的消费过程中，可供选择在控制锅炉蒸汽质量的消费过程中，可供选择的被控量有如下三种方案：的被控量有如下三种方案：v 1压力压力P和温度和温度T皆为被控变量；皆为被控变量；v 2温度温度T为被控变量；为被控变量；v 3压力压力P为被控变量。为被控变量。v相关工艺的专业知识：相关工艺的

8、专业知识：v 物理化学中的相律关系，其自在度的表达式物理化学中的相律关系，其自在度的表达式为：为： v F=C-P+2 v 式中，式中，F为自在度；为自在度；C为组分数；为组分数；P为相数。为相数。 被控对象分析：被控对象分析：v饱和蒸汽：其本质上存在气液两相饱和蒸汽：其本质上存在气液两相P=2，而组分皆为水而组分皆为水 C=1，故自在度，故自在度F=1，即独，即独立变量只需一个，所以被控变量只能选择压力立变量只需一个，所以被控变量只能选择压力或温度中之一。或温度中之一。v过热蒸气：蒸气在过热形状下只存在一个气相过热蒸气：蒸气在过热形状下只存在一个气相P=1，故自在度，故自在度F=2，因此可以

9、把压力，因此可以把压力P和和温度温度T都选为被控变量。都选为被控变量。 确定被控量确定被控量v控制饱和蒸汽的供汽质量：选饱和蒸汽压力为被控制饱和蒸汽的供汽质量：选饱和蒸汽压力为被控量。其与燃料量构成的控制系统处理蒸汽负荷控量。其与燃料量构成的控制系统处理蒸汽负荷变化与燃料动摇对蒸汽质量的影响。变化与燃料动摇对蒸汽质量的影响。v控制过热蒸气的供汽质量：选过热蒸气压力及过控制过热蒸气的供汽质量：选过热蒸气压力及过热蒸气温度作为被控量。热蒸气温度作为被控量。v必要性：过热蒸气温度过高，过热器易损坏，汽必要性：过热蒸气温度过高，过热器易损坏，汽轮机内部过度的热膨胀，影响运转平安；过热蒸轮机内部过度的热

10、膨胀，影响运转平安；过热蒸气温度过低，设备效率降低，汽轮机后级蒸汽湿气温度过低，设备效率降低，汽轮机后级蒸汽湿度添加，引起叶片磨损。蒸气压力控制是抑制蒸度添加，引起叶片磨损。蒸气压力控制是抑制蒸气负荷或燃料情况动摇影响过热蒸气温度稳定的气负荷或燃料情况动摇影响过热蒸气温度稳定的有效手段。有效手段。v可行性：过热蒸气温度可测，且可以经过控制减可行性：过热蒸气温度可测，且可以经过控制减温器的喷水量，控制过热蒸汽温度。过热蒸气压温器的喷水量，控制过热蒸汽温度。过热蒸气压力可测，且可以经过控制锅炉燃料量或汽轮机进力可测，且可以经过控制锅炉燃料量或汽轮机进汽阀开度，控制过热蒸汽压力。汽阀开度，控制过热蒸

11、汽压力。被控量的选择被控量的选择支配量的选择支配量的选择执行器的选择执行器的选择控制器的选择控制器的选择7.2 单回路控制系统方案设计单回路控制系统方案设计选择支配量选择支配量(控制参数控制参数)的根本要求的根本要求v控制通道的抗扰动才干要强，动态呼应比控制通道的抗扰动才干要强，动态呼应比扰动通道快。扰动通道快。v根据控制和扰动通道的过程参数根据控制和扰动通道的过程参数(K(K、T T、对系统质量的影响，选择控制参数。对系统质量的影响，选择控制参数。 7.2.2 支配量的选择支配量的选择(1) 放大系数对控制质量的影响放大系数对控制质量的影响(2) 干扰通道动态特性对控制质量的影响干扰通道动态

12、特性对控制质量的影响(3) 控制通道动态特征对控制质量的影响控制通道动态特征对控制质量的影响 7.2.2 支配量的选择支配量的选择(1) 放大系数对控制质量的影响放大系数对控制质量的影响(2) 干扰通道动态特性对控制质量的影响干扰通道动态特性对控制质量的影响(3) 控制通道动态特征对控制质量的影响控制通道动态特征对控制质量的影响图图7.3 单回路控制系统简化方框图单回路控制系统简化方框图v控制系统的偏向为控制系统的偏向为v因系统是稳定的，可运用终值定理求的控制因系统是稳定的，可运用终值定理求的控制系统的余差为系统的余差为v扰动通道的闭环传送函数为扰动通道的闭环传送函数为v设设D(s)为单位阶跃

13、干扰函数，并将为单位阶跃干扰函数，并将Wc (s)、W0(s)、Wd (s)、D(s)的表达式代入上式，的表达式代入上式，可求得系统的余差为：可求得系统的余差为：v结论结论v扰动通道的静态放系数扰动通道的静态放系数 越大，系统余差越大越大，系统余差越大v控制通道的放大系数控制通道的放大系数 越大，系统余差越小，抑越大，系统余差越小，抑制扰动通道的效果越好制扰动通道的效果越好v由于由于 ，那么控制器增益和控制对象的增益，那么控制器增益和控制对象的增益有一定的关系有一定的关系0KcKKK0dK 7.2.2 支配量的选择支配量的选择(1) 放大系数对控制质量的影响放大系数对控制质量的影响(2) 干扰

14、通道动态特性对控制质量的影响干扰通道动态特性对控制质量的影响(3) 控制通道动态特征对控制质量的影响控制通道动态特征对控制质量的影响系统的特征方程为：系统的特征方程为：图图7.4 根平面上的附加极点根平面上的附加极点(2)干扰通道动态特性对控制质量的影响干扰通道动态特性对控制质量的影响1时间常数对控制质量的影响时间常数对控制质量的影响结论结论扰动通道的时间常数使系统特征方程式添加了一个极点扰动通道的时间常数使系统特征方程式添加了一个极点 ，系统的超调量随，系统的超调量随 的增大而减少，控制质量得到提的增大而减少，控制质量得到提高。高。 变大或个数增多，均对干扰起到了一种滤波作用。变大或个数增多

15、，均对干扰起到了一种滤波作用。 愈大，那么扰动通道对系统的影响愈小愈大，那么扰动通道对系统的影响愈小选择支配量时，应使干扰通道的时间常数大些为好选择支配量时，应使干扰通道的时间常数大些为好1dTdTdTdT2滞后时间对控制质量的影响滞后时间对控制质量的影响结论：扰动滞后时间常数使整个过程推迟结论：扰动滞后时间常数使整个过程推迟一个滞后时间常数，所以存在扰动滞后对一个滞后时间常数，所以存在扰动滞后对系统有利。系统有利。图图7.5 液位控制液位控制结论结论: 扰动点离被控量愈近影响愈大扰动点离被控量愈近影响愈大3干扰作用点位置对控制质量的影响干扰作用点位置对控制质量的影响 扰动点离被控量愈近影响愈

16、大在系统扰动点离被控量愈近影响愈大在系统设计时，应使扰动作用点位置远离被控量。设计时，应使扰动作用点位置远离被控量。4干扰幅值对控制质量的影响干扰幅值对控制质量的影响5周期性干扰对控制质量的影响周期性干扰对控制质量的影响 7.2.2 支配量的选择支配量的选择(1) 放大系数对控制质量的影响放大系数对控制质量的影响(2) 干扰通道动态特性对控制质量的影响干扰通道动态特性对控制质量的影响(3) 控制通道动态特征对控制质量的影响控制通道动态特征对控制质量的影响v3控制通道动态特征对控制质量的影响控制通道动态特征对控制质量的影响v 1时间常数时间常数T对控制质量的影响对控制质量的影响(1).T(1).

17、T太大太大 特点：使控制造用变弱，控制质量变坏。特点：使控制造用变弱，控制质量变坏。 措施：合理选择执行器位置；采用前馈或复杂措施：合理选择执行器位置；采用前馈或复杂控制控制. . 2滞后时间对控制质量的影响滞后时间对控制质量的影响图图7.6 具有纯滞后具有纯滞后0的系统的系统v设控制器为纯比例作用，放大系数为设控制器为纯比例作用，放大系数为Kc，当对象不存在纯滞后当对象不存在纯滞后0时，开环传送函数时，开环传送函数为为v假设对象存在纯滞后假设对象存在纯滞后0 ，对象的传送函数，对象的传送函数为为图图7.7 频率特性频率特性 由于由于 o的存在，使相角滞后添加而的存在，使相角滞后添加而幅值不变

18、。其频率特性求法如下：在幅值不变。其频率特性求法如下：在 o=0时的曲线时的曲线W(j )上上 1、 2、 3 各点分别对应的幅值是各点分别对应的幅值是A、B、C。当。当 o0时，如点时，如点A处，频率为处，频率为 1，取，取 W(j 1) 的幅值的幅值A ，但相角滞后，但相角滞后 1 o添加了添加了 1 o弧度，从而定出新的点弧度，从而定出新的点A 。同理可得出。同理可得出 2、 3 时各相应时各相应点点B、C ，将，将A、B、C、各点各点衔接起来即为衔接起来即为W(j )的幅相频率特性。的幅相频率特性。由此曲线可见，当由此曲线可见，当 o0时，随着时，随着KcKo的增大，的增大， W(j

19、)有能够包围有能够包围(-1，j0 )点，点， o值愈大，这种能够性愈大，值愈大，这种能够性愈大，即系统的稳定性愈差。即系统的稳定性愈差。v普通普通 o/T0 0.3的对象较易控制，而的对象较易控制，而o/T0 0.50.6的对象较难控制。的对象较难控制。v在选控制参数支配量时，要设法减小在选控制参数支配量时，要设法减小o/T0 的比值。减少信号传输间隔或提高信号的比值。减少信号传输间隔或提高信号传输速度等都是常用方法。另外，有时增大传输速度等都是常用方法。另外，有时增大T0 值也收到较好效果。值也收到较好效果。结论结论图图7.8 具有三个时间常数的控制系统具有三个时间常数的控制系统3时间常数

20、匹配对控制质量的影响时间常数匹配对控制质量的影响结论结论假设有两个以上的时间常数，那么最大的时假设有两个以上的时间常数，那么最大的时间常数决议过程的快慢，而间常数决议过程的快慢，而T2/T1等要素只等要素只影响系统易控的程度影响系统易控的程度,T2与与T1拉得愈开，即拉得愈开，即T2/T1 愈小，那么愈接近一阶环节，系统愈小，那么愈接近一阶环节，系统愈易稳定。设法减小愈易稳定。设法减小T2/T1往往是提高系统往往是提高系统调理质量的一条可行性途径，这在选择设调理质量的一条可行性途径，这在选择设备设计与检测组件时是很值得思索的。备设计与检测组件时是很值得思索的。经过以上干扰通道和控制通道特性对控

21、制质经过以上干扰通道和控制通道特性对控制质量影响的分析，可得出支配量选择时应遵照量影响的分析，可得出支配量选择时应遵照的普通原那么：的普通原那么：支配量应具有可控性、工艺操作的合理性、支配量应具有可控性、工艺操作的合理性、经济性。经济性。控制通道的放大系数控制通道的放大系数K0要适当大一些，要适当大一些，时间常数时间常数T0要适当小一些，纯滞后时间要适当小一些，纯滞后时间0愈愈小愈好。小愈好。 干扰通道的放大系数干扰通道的放大系数Kd 应尽能够小，时间常应尽能够小，时间常数数Td 要大一些，容量滞后要大一些，容量滞后c 愈大，那么有利于愈大，那么有利于控制；干扰作用点位置要远离被控量的检测点，

22、控制；干扰作用点位置要远离被控量的检测点，即向执行器接近为好；干扰的频率与系统任务频即向执行器接近为好；干扰的频率与系统任务频率要相差率要相差3倍以上；当出现幅值太大的干扰时，倍以上；当出现幅值太大的干扰时，应思索设计一个单独的控制系统予以抑制，或采应思索设计一个单独的控制系统予以抑制，或采取其他措施尽量地减小它的幅值。取其他措施尽量地减小它的幅值。当广义对象具有几个时间常数时，应尽量地设当广义对象具有几个时间常数时，应尽量地设法使它们越错开越好。法使它们越错开越好。被控量的选择被控量的选择支配量的选择支配量的选择执行器的选择执行器的选择控制器的选择控制器的选择7.2 单回路控制系统方案设计单

23、回路控制系统方案设计7.2.3 执行器的选择执行器的选择1控制阀的流量特性选择控制阀的流量特性选择2 控制阀气开、气关方式选控制阀气开、气关方式选择择3 控制阀的口径选择控制阀的口径选择控制阀的流量特性根本概念：控制阀的流量特性根本概念：v理想流量特性：阀两端压力恒定时的流量特性，理想流量特性：阀两端压力恒定时的流量特性，即制造厂提供的阀特性；理想流量特性有直线、即制造厂提供的阀特性；理想流量特性有直线、对数、抛物线和快开四种。对数、抛物线和快开四种。v任务流量特性：阀两端压力变化时的流量特性；任务流量特性：阀两端压力变化时的流量特性；由过程特性决议阀门任务流量特性。由过程特性决议阀门任务流量

24、特性。v流量系数：阀全开时阀两端压力流量系数：阀全开时阀两端压力 / 管道系统的总管道系统的总压差；以此衡量控制阀实践任务流量特性相对压差；以此衡量控制阀实践任务流量特性相对于理想流量特性的变化程度。于理想流量特性的变化程度。1控制阀的流量特性选择控制阀的流量特性选择控制阀的任务流量特性串联管道控制阀的任务流量特性串联管道v控制阀与管道设备串联任务时，假设总压控制阀与管道设备串联任务时，假设总压差一定，随着控制阀开度增大，流量添加，差一定，随着控制阀开度增大，流量添加，管道设备上的压力降增大，控制阀前后的管道设备上的压力降增大，控制阀前后的压差将逐渐减小，结果控制阀的流量特性压差将逐渐减小，结

25、果控制阀的流量特性将发生变化。将发生变化。v对线性阀来说，其理想流量特性是一条直对线性阀来说，其理想流量特性是一条直线，由于串联阻力的影响，其实践的任务线，由于串联阻力的影响，其实践的任务流量特性变成为对数阀任务流量特性。流量特性变成为对数阀任务流量特性。流量系数流量系数Sv衡量控制阀实践任务流量特性相对于理想流量特衡量控制阀实践任务流量特性相对于理想流量特性的变化程度；性的变化程度；v 式中式中 vminvmin、控控制阀全开时阀门前后的压差、系统总压差；制阀全开时阀门前后的压差、系统总压差；v当当S=1S=1时，控制阀前后的压差等于系统的总压差，时，控制阀前后的压差等于系统的总压差，任务流

26、量特性即为理想流量特性；任务流量特性即为理想流量特性；v当当S1S1时，受串联管道设备阻力影响，流量特性时，受串联管道设备阻力影响，流量特性发生两个变化：控制阀全开时流量减小，即控制发生两个变化：控制阀全开时流量减小，即控制阀可调范围变小；流量特性曲线畸变阀可调范围变小；流量特性曲线畸变 ，S S值越值越小，畸变越严重，对控制越不利。所以，在实践小，畸变越严重，对控制越不利。所以，在实践运用中要求运用中要求S S不低于不低于0.30.30.50.5。ppSVmin控制阀任务流量特性并联管道控制阀任务流量特性并联管道v控制阀除了与管道设备串联任务外，在现场运控制阀除了与管道设备串联任务外，在现场

27、运用中，为了便于手动操作和维护，控制阀还与用中，为了便于手动操作和维护，控制阀还与管道设备并联任务。管道设备并联任务。v当封锁旁路时，即当封锁旁路时，即S=1时，任务流量特性与理时，任务流量特性与理想流量特性是一致的。想流量特性是一致的。v随着旁路阀逐渐翻开，其旁路流量逐渐添加，随着旁路阀逐渐翻开，其旁路流量逐渐添加，S逐渐减小，控制阀可调范围大大下降；同时逐渐减小，控制阀可调范围大大下降；同时总存在串联管道阻力的影响，这将使控制阀所总存在串联管道阻力的影响，这将使控制阀所能控制的流量变化很小，甚至不起控制造用。能控制的流量变化很小，甚至不起控制造用。v根据现场运用阅历，旁路流量只能为总流量的

28、根据现场运用阅历，旁路流量只能为总流量的百分之十几，百分之十几，S值不能低于值不能低于0.8。1 1、目的、目的 用控制阀的流量特性来补偿被控过程特性的用控制阀的流量特性来补偿被控过程特性的变化，使系统总的放大系数坚持或近似不变。变化，使系统总的放大系数坚持或近似不变。2 2、方法、方法 根据阀门的任务流量特性和根据阀门的任务流量特性和S S值，选定阀值，选定阀门特性；通常采用阅历法。门特性；通常采用阅历法。控制阀的流量特性选择控制阀的流量特性选择控制阀选择控制阀选择根据控制质量要求根据控制质量要求在变负荷情况下要使系统坚持预定的质量目的，在变负荷情况下要使系统坚持预定的质量目的，那么要求系统

29、总的放大系数在整个操作范围内那么要求系统总的放大系数在整个操作范围内坚持不变。坚持不变。合理选择控制阀的流量特性来补偿被控过程特合理选择控制阀的流量特性来补偿被控过程特性的变化，使系统总的放大系数坚持或近似不性的变化，使系统总的放大系数坚持或近似不变。变。控制阀选择控制阀选择根据负荷变化情况根据负荷变化情况 由于对数特性控制阀的放大系数是变化由于对数特性控制阀的放大系数是变化的，因此能顺应负荷变化大的场所，同的，因此能顺应负荷变化大的场所，同时亦能适用于控制阀经常任务在小开度时亦能适用于控制阀经常任务在小开度的情况，所以用对数控制阀的运用较为的情况，所以用对数控制阀的运用较为广泛。广泛。2 控

30、制阀气开、气关方式选择控制阀气开、气关方式选择u气开阀、气关阀的定义：气开阀、气关阀的定义：u气开式阀：随着控制信号的增大而开度加气开式阀：随着控制信号的增大而开度加大，当无压力控制信号时，阀处于全封锁大，当无压力控制信号时，阀处于全封锁形状；形状；u气关式阀：随着控制信号的增大阀逐渐封气关式阀：随着控制信号的增大阀逐渐封锁，当无压力控制信号时，阀处于全开形锁，当无压力控制信号时，阀处于全开形状。状。u控制系统中终究控制阀选择气开还是气关控制系统中终究控制阀选择气开还是气关方式完全是由消费工艺的要求决议。方式完全是由消费工艺的要求决议。选择气开阀、气关阀的原那么：选择气开阀、气关阀的原那么：v

31、保证平安消费：当过程控制系统发生缺点如气保证平安消费：当过程控制系统发生缺点如气源供气中断、控制器与控制阀损坏等时出现，源供气中断、控制器与控制阀损坏等时出现，控制阀所处形状应能确保工艺设备的平安，不致控制阀所处形状应能确保工艺设备的平安，不致发惹事故。如锅炉供水控制阀，为了保证发生上发惹事故。如锅炉供水控制阀，为了保证发生上述情况时不致把锅炉烧坏，就应选择气关阀。述情况时不致把锅炉烧坏，就应选择气关阀。v保证产质量量：当控制阀不能正常任务时，阀所保证产质量量：当控制阀不能正常任务时，阀所处的形状不应呵斥产品的质量下降。如精馏塔回处的形状不应呵斥产品的质量下降。如精馏塔回流量控制系统通常选用气

32、关阀，这样，一旦发生流量控制系统通常选用气关阀，这样，一旦发生缺点阀门全开，使消费处于全回流形状，这就防缺点阀门全开，使消费处于全回流形状，这就防止出现不合格产品，从而保证了塔顶产品的质量。止出现不合格产品，从而保证了塔顶产品的质量。v降低原料和动力的损耗：如控制精馏塔进料的控降低原料和动力的损耗：如控制精馏塔进料的控制阀常采用气开式。这样一旦出现缺点，阀门是制阀常采用气开式。这样一旦出现缺点，阀门是处于封锁形状的，不再给塔投料，从而减少浪费。处于封锁形状的，不再给塔投料，从而减少浪费。v从介质特点思索：如精馏塔釜加热蒸汽控制阀普从介质特点思索：如精馏塔釜加热蒸汽控制阀普通选用气开式，以保证发

33、生缺点时不浪费蒸汽。通选用气开式，以保证发生缺点时不浪费蒸汽。但是，有些消费安装内是易结晶、易凝结的物料但是，有些消费安装内是易结晶、易凝结的物料时，那么应思索选用气关式控制阀。这样，在事时，那么应思索选用气关式控制阀。这样，在事故形状下控制阀全开以防止由于停顿了蒸汽的供故形状下控制阀全开以防止由于停顿了蒸汽的供应而导致釜内液体的结晶或凝聚毁坏设备。应而导致釜内液体的结晶或凝聚毁坏设备。v在确定了控制阀的开、关后，还要对其配套的执在确定了控制阀的开、关后，还要对其配套的执行机构的正、反作用方式进展选择。行机构的正、反作用方式进展选择。3 控制阀的口径选择控制阀的口径选择v控制阀口径大小直接决议

34、着控制介质流过它的控制阀口径大小直接决议着控制介质流过它的才干；才干；v控制阀口径选得过大，超越了正常控制所需的控制阀口径选得过大，超越了正常控制所需的介质流量，控制阀将经常处于小开度下任务，介质流量，控制阀将经常处于小开度下任务，阀的特性将会发生畸变，阀性能就较差；阀的特性将会发生畸变，阀性能就较差；v假设控制阀口径选得太小，在正常情况下都在假设控制阀口径选得太小，在正常情况下都在大开度下任务，阀的特性也不好。此外，控制大开度下任务，阀的特性也不好。此外，控制阀口径选得过小也不顺应消费开展的需求。因阀口径选得过小也不顺应消费开展的需求。因此，控制阀口径的选择应留有一定的余地。此，控制阀口径的

35、选择应留有一定的余地。v正常情况下，阀开度处于正常情况下，阀开度处于15%85%之间；之间；v控制阀口径大小是经过计算控制阀流通才干的控制阀口径大小是经过计算控制阀流通才干的大小来决议的，控制阀流通才干必需满足消费大小来决议的，控制阀流通才干必需满足消费控制的要求并留有一定的余地；控制的要求并留有一定的余地；v普通流通才干要根据控制阀所在管线的最大流普通流通才干要根据控制阀所在管线的最大流量以及控制阀两端的压降来进展计算，并且为量以及控制阀两端的压降来进展计算，并且为了保证控制阀具有一定的可控范围；了保证控制阀具有一定的可控范围；v必需使控制阀两端的压降在整个管线的总压降必需使控制阀两端的压降

36、在整个管线的总压降中占有较大的比例。所占的比例愈大，控制阀中占有较大的比例。所占的比例愈大，控制阀的可控范围愈宽。假设控制阀两端压降在整个的可控范围愈宽。假设控制阀两端压降在整个管线总压降中所占的比例小，可控范围就变窄，管线总压降中所占的比例小，可控范围就变窄，将会导致控制阀特性的畸变，使控制效果变差。将会导致控制阀特性的畸变，使控制效果变差。 被控量的选择被控量的选择支配量的选择支配量的选择执行器的选择执行器的选择控制器的选择控制器的选择7.2 单回路控制系统方案设计单回路控制系统方案设计7.2.4 控制器的选择控制器的选择(1)控制器类型的选择控制器类型的选择1P控制器的选择控制器的选择2

37、PI控制器的选择控制器的选择3PID控制器的选择控制器的选择(2)控制器正、反作用方式的选择控制器正、反作用方式的选择0)(uteku(t)c三类常规控制器简介三类常规控制器简介1比例控制器：比例控制器： 比例控制器输出与偏向成比例比例控制器输出与偏向成比例式中，式中，u(t)为控制其输出信号，为控制其输出信号，e(t)为设定值与丈为设定值与丈量信号之差，量信号之差，kc为比例增益。为比例增益。u0是是t=0瞬间偏向为瞬间偏向为零时的控制器输出。零时的控制器输出。v控制器类型的选择控制器类型的选择2比例积分控制器：比例积分控制器：ticuedtTeku00)1( )0iTe t 式中， 为积分

38、时间。控制器输出信号的大小不仅与偏差信号的大小有关，而且还与偏差存在的时间长短有关。只有时，控制器的输出才能稳定；即消除偏差是积分控制作用的主要特性。3比例积分微分控制器比例积分微分控制器001()tcdiPIDdeuk eedtTuTdt控制作用是引入微分的目的是改善控制系统的动态品质。根据偏差变化率（趋势）调整控制器输出，为解决系统动态响应方面的问题提供了一种方法。选择控制器选择控制器-未知过程模型时未知过程模型时v要求滞后小、可有余差；选比例要求滞后小、可有余差；选比例P P控制器；控制器；v要求无静差，可选比例积分要求无静差，可选比例积分PIPI控制器；控制器；v要求抑制容量滞后、且丈

39、量信号无高频噪声或周要求抑制容量滞后、且丈量信号无高频噪声或周期性扰动，允许有静差，可选用比例微分期性扰动，允许有静差，可选用比例微分PDPD控制器；控制器；v在上述在上述 1 1、2 2、3 3均无效时，可思索采用均无效时，可思索采用PIDPID控制器，此时参数整定是关键；控制器，此时参数整定是关键；v假设假设PIDPID控制律仍不满足控制要求，那么思索其他控制律仍不满足控制要求，那么思索其他复杂的控制算法。复杂的控制算法。选择控制器选择控制器-知过程模型时知过程模型时假设过程的数学模型可近似表示为：假设过程的数学模型可近似表示为：根据根据o/To比值选择控制器。比值选择控制器。 a. o/

40、To0.2时，选时，选P或或PI控制器；控制器； b. 0.2o/To1.0 时，选时，选PI或或PID控制器；控制器； c. 1.0o/To 时，选其他复杂的控制方案。时，选其他复杂的控制方案。根据过程特性和工艺要求，选择模型控制算法或其他根据过程特性和工艺要求，选择模型控制算法或其他控制方案。控制方案。2控制器正、反作用方式的选择控制器正、反作用方式的选择1控制器正控制器正/反作用的定义：反作用的定义：控制器正作用：当系统的丈量值添加时，控制器控制器正作用：当系统的丈量值添加时，控制器 的输出亦添加；的输出亦添加；控制器反作用：当系统的丈量值添加时，控制器控制器反作用：当系统的丈量值添加时

41、，控制器 的输出亦减小。的输出亦减小。2控制器正、反作用方式的选择控制器正、反作用方式的选择控制阀气开式取控制阀气开式取“+号，气关式取号，气关式取“-号；号；控制器正作用取控制器正作用取“+，反作用取，反作用取“-号；号；对象当经过控制阀的物料或能量添加时，按工艺机对象当经过控制阀的物料或能量添加时，按工艺机理分析，假设被控量随之添加那么取理分析，假设被控量随之添加那么取“+号，随号，随之降低取之降低取“-号；号；变送器普通视为正环节。变送器普通视为正环节。控制器正、反作用方式选择判别式为：控制器正、反作用方式选择判别式为：v例例 加热炉的简单控制系统。加热炉的简单控制系统。 各环节作用方向

42、为：各环节作用方向为：控制阀：控制阀： 气开阀。从工艺平安条件出发，应选择控制阀为气开阀，以气开阀。从工艺平安条件出发，应选择控制阀为气开阀，以防当气源忽然中断时，控制阀反而大开烧毁炉子。防当气源忽然中断时，控制阀反而大开烧毁炉子。被控对象：被控对象：正对象。由于当支配变量燃料气流量添加时，出口温度也正对象。由于当支配变量燃料气流量添加时，出口温度也添加。添加。控制器：控制器：反作用。由于当出口温度添加时，控制器的输出减小，关反作用。由于当出口温度添加时，控制器的输出减小，关小燃料气的阀门。小燃料气的阀门。被控对象：加热炉；被控对象：加热炉；被控变量：出口温度；被控变量：出口温度；支配变量：燃

43、料气流量。支配变量：燃料气流量。v例例 液位的简单控制系统。液位的简单控制系统。被控对象：贮液罐；被控对象：贮液罐；被控变量：液位；被控变量：液位；支配变量：流出物料量；支配变量：流出物料量； 各环节作用方向为：各环节作用方向为：控制阀：控制阀：气开阀。从工艺平安条件出发，应选择执行器为气开阀，以气开阀。从工艺平安条件出发，应选择执行器为气开阀，以防当气源忽然中断时，控制阀封锁，以免物料流失。防当气源忽然中断时，控制阀封锁，以免物料流失。被控对象：被控对象：反对象。由于当流出物料量添加时，液位下降。反对象。由于当流出物料量添加时，液位下降。控制器：控制器：正作用。由于当液位下降使变送器的输出减

44、小时，控制器的正作用。由于当液位下降使变送器的输出减小时，控制器的输出也减小，才干关小出口阀门使液位升高。相反的，当液位升输出也减小，才干关小出口阀门使液位升高。相反的，当液位升高使变送器的输出添加时，控制器的输出也添加，才干开大出口高使变送器的输出添加时，控制器的输出也添加，才干开大出口阀门使液位下降。阀门使液位下降。单回路控制系统的投运单回路控制系统的投运三、位式控制位式调理三、位式控制位式调理 双位控制的规律是：双位控制的规律是：当丈量值大于给定值时，控制器的输出位最大当丈量值大于给定值时，控制器的输出位最大或最小；或最小；当丈量值小于给定值时，控制器的输出位最小当丈量值小于给定值时，控

45、制器的输出位最小或最大。或最大。 理想的双位控制器的输出信号理想的双位控制器的输出信号p与输入信号与输入信号e之间的关系为：之间的关系为：即控制器只需即控制器只需“开开“关两个输出形状。关两个输出形状。 P=Pmax e0或或e0时时 P=Pmin e0或或e0时时 图图7-4 PID控制系统输出呼控制系统输出呼应应P、I、D环节的作用环节的作用P、I、D环节的作用环节的作用比例的作用是减小误差、提高动态呼应速度比例的作用是减小误差、提高动态呼应速度积分的作用是消除稳态误差、但会有较大超调、调理时间积分的作用是消除稳态误差、但会有较大超调、调理时间加长加长微分的作用是预测偏向、产生超前校正作用

46、、改善系统动态微分的作用是预测偏向、产生超前校正作用、改善系统动态性能性能1比例作用定量分析比例作用定量分析数字数字PID控制器的参数整定控制器的参数整定比例系数比例系数KP对系统性能的影响对系统性能的影响1对稳态特性的影响对稳态特性的影响 加大比例控制加大比例控制KP，在系统稳定的，在系统稳定的情况下，可以减小稳态误差，提情况下，可以减小稳态误差，提高控制精度，但不能完全消除稳高控制精度，但不能完全消除稳态误差。态误差。2对动态特性的影响对动态特性的影响 KP加大使系统的动作灵敏，速度加快；加大使系统的动作灵敏，速度加快；KP偏大，振荡次数加多，调理时间加偏大，振荡次数加多，调理时间加长；长

47、；KP太大时，系统会趋于不稳定；太大时，系统会趋于不稳定；KP太小，又会使系统的动作缓慢。太小，又会使系统的动作缓慢。2积分作用定量分析积分作用定量分析数字数字PID控制器的参数整定控制器的参数整定Ti对系统性能的影响对系统性能的影响1对稳态特性的影响对稳态特性的影响可以消除稳态误差，提高系统可以消除稳态误差，提高系统的控制精度；但是假设的控制精度；但是假设Ti太太大，积分作用太弱，以致不大，积分作用太弱，以致不能减小稳态误差。能减小稳态误差。2对动态特性的影响对动态特性的影响会使系统的稳定性下降；会使系统的稳定性下降；Ti太小会使系统不稳定；太小会使系统不稳定；Ti偏小会使振荡次数较多偏小会

48、使振荡次数较多;Ti太大对系统性能的影响减少；太大对系统性能的影响减少；Ti适宜时，过渡特性比较理想。适宜时，过渡特性比较理想。3微分作用定量分析微分作用定量分析数字数字PID控制器的参数整定控制器的参数整定Td对系统性能的影响对系统性能的影响微分作用可以改善控制系统的微分作用可以改善控制系统的动态特性；动态特性；Td加大时，超调量较大，调理加大时，超调量较大，调理时间较长；时间较长；Td适宜时，才干使超调量偏小，适宜时，才干使超调量偏小，减短调理时间。减短调理时间。7.3 控制器的参数整定控制器的参数整定v有关单回路控制系统整定的概述有关单回路控制系统整定的概述v系统整定系统整定-指选择控制

49、器的比例度、积分指选择控制器的比例度、积分时间和微分时间的详细数值。系统整定的本时间和微分时间的详细数值。系统整定的本质，就是经过改动控制参数使控制器特性和质，就是经过改动控制参数使控制器特性和被控过程特性配合好，来改善系统的动态和被控过程特性配合好，来改善系统的动态和静态特性，求得最正确的控制效果。静态特性，求得最正确的控制效果。v系统的良好控制效果普通要求：瞬时呼应的系统的良好控制效果普通要求：瞬时呼应的衰减率以保证系统具有一定的稳定性贮衰减率以保证系统具有一定的稳定性贮藏，尽量减小稳态偏向藏，尽量减小稳态偏向(余差余差)、最大偏向、最大偏向和过渡过程时间。和过渡过程时间。v留意：只需系统

50、设计正确，仪表选择正确，留意：只需系统设计正确，仪表选择正确，且经过调校和正确安装之后，控制器参数的且经过调校和正确安装之后，控制器参数的整定才是有意义的。整定才是有意义的。 比例度比例度 在实践的比例控制器中，习惯上用比例度在实践的比例控制器中，习惯上用比例度来表示比例作用来表示比例作用的强弱，而不用放大倍数的强弱，而不用放大倍数Kp。式中 e-控制器的输入变化量； P-相应的控制器的输出变化量；xmaxxmin-输入的最大变化量，即控制仪表的量程； pmaxpmin-输出的最大变化量，即控制仪表输出的 任务范围。 比例度就是使控制器输出变化满刻度时，输入偏向变化比例度就是使控制器输出变化满

51、刻度时，输入偏向变化对应指示刻度的百分数。对应指示刻度的百分数。 例如，一只比例作用的DDZ-电动温度控制器，其量程刻度范围为400800C，控制器输出为010mA。当仪表指针从600C移到700C，此时控制器相应的输出从4mA变为9mA，这时的比例度应该是： 50% 这阐明这台温度控制器，当温度变化全量程的50%相当于变化200C，这台控制器的输出就可以从0mA变化到10mA。在此范围内，温度输入的变化e和控制器的输出P是成比例的。 v比例度的表示图 ： 分别阐明了当比例度为50%、100%、200%时，控制器的输出由最小pmin变为最大pmax的所需求的输入变化区间。 比例度越小，使输出变

52、比例度越小，使输出变化全量程范围所需的输化全量程范围所需的输入变化区间就越小。入变化区间就越小。比例作用的强弱的表示 比例度与放大倍数Kp都可以用来表示比例调理作用的强弱。只不过放大倍数Kp越大，表示比例控制造用越强；而越大，表示控制造用越弱。在单元组合式仪表中，控制器和变送器的输出信号都是一致的规范信号，那么比例度与放大倍数Kp互为倒数关系，即v控制器参数的整定方法：控制器参数的整定方法：v实际计算整定法：根轨迹法、频率特性法等。实际计算整定法：根轨迹法、频率特性法等。这类整定方法要求知过程的数学模型。其计这类整定方法要求知过程的数学模型。其计算繁琐，任务量很大，而且最后得到的数据算繁琐，任

53、务量很大，而且最后得到的数据普通精度又不高，所以目前在工程上较少采普通精度又不高，所以目前在工程上较少采用。用。v工程整定方法：阅历凑试法、临界比例度法、工程整定方法：阅历凑试法、临界比例度法、衰减曲线法、呼应曲线法等。它直接在过程衰减曲线法、呼应曲线法等。它直接在过程控制系统中进展。其方法简单，计算简便，控制系统中进展。其方法简单，计算简便，而且容易掌握，所得参数虽然不一定为实际而且容易掌握，所得参数虽然不一定为实际上的最正确参数，但是相当适用，能处理普上的最正确参数，但是相当适用，能处理普通性问题，所以在工程上得到了广泛运用。通性问题，所以在工程上得到了广泛运用。7.3.1 控制器参数整定

54、实际根底控制器参数整定实际根底闭环控制系统的传送函数为：闭环控制系统的传送函数为：闭环控制系统的特征方程为：闭环控制系统的特征方程为：其普通方式为：其普通方式为：参数整定就是确定参数整定就是确定01,na aa特征根与系统特性的关系实部0，运动分量是发散的实部0，运动分量是衰减的实部=0 ，运动分量做等幅振荡控制器参数整定就是选择适宜的参数值，使特控制器参数整定就是选择适宜的参数值，使特征方程一切实根和一切复根的实数部分的都为征方程一切实根和一切复根的实数部分的都为负实部。负实部。实践消费过程要求控制系统不仅是稳定的，而实践消费过程要求控制系统不仅是稳定的，而且要求有一定的稳定裕量。且要求有一

55、定的稳定裕量。v由递减率的定义可得：由递减率的定义可得：v对于稳定的振荡分量，有：对于稳定的振荡分量，有：图7.10 振荡分量的递减率其中其中m m：递减指数：递减指数根平面中质量合格区域根平面中质量合格区域v位于折线位于折线AOBAOB左面的左面的任何一对共轭复根代任何一对共轭复根代表的振荡过程都具有表的振荡过程都具有比比m0m0大的递减指数或大的递减指数或递减率。递减率。v在整定控制器参数时在整定控制器参数时，要保证过渡过程具，要保证过渡过程具有一定的稳定裕量，有一定的稳定裕量，就要使闭环控制系统就要使闭环控制系统特征方程的根位于特征方程的根位于AOBAOB折线的左侧。折线的左侧。v实践消

56、费过程要求控制系统不仅是稳定的，而且要实践消费过程要求控制系统不仅是稳定的，而且要求有一定的快速性。求有一定的快速性。v从快速性看，一对共轭复根代表的振荡分量的衰减从快速性看，一对共轭复根代表的振荡分量的衰减速度取决于复根的实部速度取决于复根的实部。 越大，越大， 衰减越快。衰减越快。v在整定控制器参数时，要保证控制系统有一定的快在整定控制器参数时，要保证控制系统有一定的快速性，就要使闭环控制系统特征方程的根位于过点速性，就要使闭环控制系统特征方程的根位于过点0垂线的左侧。垂线的左侧。v在实践消费过程中，要求控制系统过渡过程的振荡在实践消费过程中，要求控制系统过渡过程的振荡频率不能太高。频率不

57、能太高。v振荡频率过高，会呵斥调理阀的开闭过于频繁，加振荡频率过高，会呵斥调理阀的开闭过于频繁，加大设备的磨损。大设备的磨损。v限制一下限制一下的范围。复根的虚部的范围。复根的虚部表征了一对共轭表征了一对共轭复根的振荡分量的振荡频率。复根的振荡分量的振荡频率。图7.11 根平面中质量合格区域v7.3.2 控制器参数工程整定法控制器参数工程整定法v1阅历凑试法阅历凑试法v2临界振荡整定法临界振荡整定法v3衰减曲线法衰减曲线法v4呼应曲线法呼应曲线法1阅历凑试法阅历凑试法阅历凑试法一详细步骤：阅历凑试法一详细步骤：vP控制器：控制器：v 将比例度由较大数值逐渐减小，察看被控量的过渡将比例度由较大数

58、值逐渐减小，察看被控量的过渡过程曲线，直到曲线称心为止；过程曲线，直到曲线称心为止；v PI控制器：控制器：v 先置先置Ti =，按纯比例整定比例度，使之到达，按纯比例整定比例度，使之到达4：1衰衰减过程曲线；然后将放大减过程曲线；然后将放大(1020)%，将积分时间由大至，将积分时间由大至小逐渐参与，直到获得小逐渐参与，直到获得4：1衰减过程；衰减过程；vPID控制器：控制器：v 先令先令TD =0，按，按PI控制器凑试整定，然后将比例度减低控制器凑试整定，然后将比例度减低到比原值小到比原值小(1020)%位置，位置，Ti也适当增大之后，再把也适当增大之后，再把TD由小至大地逐渐参与，察看过

59、渡过程曲线，直到获得由小至大地逐渐参与，察看过渡过程曲线，直到获得称心的过渡过程为止。称心的过渡过程为止。阅历凑试方法二详细步骤：阅历凑试方法二详细步骤：v根据表根据表7.6的阅历数据，预先确定一个积分时的阅历数据，预先确定一个积分时间数值，然后由大至小调整比例度以获得称间数值，然后由大至小调整比例度以获得称心的过渡过程为止；心的过渡过程为止；v如需加微分作用，可取如需加微分作用，可取TD=1/31/4Ti，放好放好Ti 、 TD之后，再调整比例度。比例度之后，再调整比例度。比例度与积分时间在一定范围内相匹配，可以得到与积分时间在一定范围内相匹配，可以得到一样递减比的过渡过程。这样，比例度的减

60、一样递减比的过渡过程。这样，比例度的减小可用增大积分时间来补偿，反之亦然。小可用增大积分时间来补偿，反之亦然。阅历凑试法阅历凑试法小结小结v在运用阅历凑试法整定控制器参数的过程中，假在运用阅历凑试法整定控制器参数的过程中，假设察看到曲线振荡频繁，那么需减小比例作用；设察看到曲线振荡频繁，那么需减小比例作用；v假设曲线最大偏向大、且趋于非周期过程，那么假设曲线最大偏向大、且趋于非周期过程，那么需加强比例作用。需加强比例作用。v当曲线动摇较大时，应减小积分作用；当曲线动摇较大时，应减小积分作用；v假设曲线偏离设定值后长时间不能回来，那么需假设曲线偏离设定值后长时间不能回来，那么需加强积分作用；加强